氣候變化影響下高山區(qū)泥石流形成機制研究及展望

魯建瑩， 余國安， 黃河清

（1.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)與地表過程重點實驗室，北京 100101； 2.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

高海拔或高緯度山區(qū)（以下簡稱高山區(qū)）尤其高山冰川或凍土的邊緣地帶是泥石流災害的易發(fā)區(qū)。由于高山環(huán)境多發(fā)育冰川（凍土）或分布積雪，相關文獻常將這一環(huán)境形成的泥石流稱之為“冰川泥石流”、“冰川融雪泥石流”或“冰雪-降雨耦合泥石流”［1-4］。從起動過程看，高山區(qū)泥石流一般由冰磧物、冰雪堆積物等物質在降雨、冰雪融水、冰崩、雪崩、冰磧湖潰決等條件下激發(fā)形成［1-3，5］。盡管高山區(qū)泥石流的形成起動區(qū)多為人跡罕至的高山冰雪/凍土坡面（或上游溝谷），但由于其流速高，演進距離長，且規(guī)模在演進過程中常會顯著增大，因此，這類泥石流過程多破壞力巨大，易造成下游基礎設施及居民生命財產的重大損失［4，6-7］。

高山區(qū)冰川、凍土等對氣候變化十分敏感，在全球氣候變化（尤其升溫）的大背景下，近幾十年來我國青藏高原（尤其藏東南地區(qū)）、川西及新疆天山地區(qū)、歐洲阿爾卑斯山區(qū)、北歐斯堪的納維亞山脈、冰島、南美安第斯山區(qū)、北美落基山脈以及新西蘭等國內外冰川凍土整體上處于快速消融退縮狀態(tài)［8-14］。這些高山冰川、凍土急劇消退地區(qū)孕育了適宜泥石流發(fā)育的地形和物源條件［15］，是高山區(qū)泥石流的多發(fā)區(qū)?？傮w上看，氣候變化引起的升溫和降雨變化（如強降雨事件增多）使?jié)撛谠袨沫h(huán)境更易于成災［16］，如我國318 國道川藏線和擬建川藏鐵路重要通行區(qū)的藏東南地區(qū)、新疆天山地區(qū)獨庫公路、歐洲阿爾卑斯山區(qū)等頻繁暴發(fā)大型甚至特大型泥石流災害，阻斷交通，損失巨大。因此，氣候變化影響下高山區(qū)泥石流的現(xiàn)實危害和潛在風險正日益引發(fā)關注［17-21］。

國內外學者對高山區(qū)泥石流成因和起動條件等已開展大量研究，但由于起動機制復雜，其預測預警仍非常困難，因此，深入研究高山區(qū)泥石流的形成條件和機制，提出科學有效的預測預警和防控策略，不僅是緊迫的國家需求，而且具有重要的科學價值。目前，針對高山區(qū)泥石流的研究涵蓋暴發(fā)成因及起動機制［22-30］，動力過程、泥沙輸送及地貌效應［26，31-34］，泥石流事件與氣候條件的關系［35-37］等。近年來，在對典型泥石流事件成因分析的基礎上，開展冰川凍土體消融破壞機制、冰磧土泥石流起動特征等研究。同時，在現(xiàn)階段還難以完全揭示高山區(qū)泥石流形成物理機制的實際情況下，嘗試從統(tǒng)計角度挖掘泥石流發(fā)生與氣象（水、熱）條件的關系和暴發(fā)閾值。本文簡要回顧近期高山區(qū)泥石流暴發(fā)成因和機制的主要研究進展，述評已有成果并探討未來研究應關注的幾個問題，以期促進高山區(qū)泥石流研究進一步深入。

1 典型高山區(qū)泥石流暴發(fā)與氣象（水熱）條件的關系

盡管全球氣候變化的研究和地面監(jiān)測主要集中于低海拔平原區(qū)，不過相關的研究已證實高山區(qū)氣候變化和全球氣候變化的一般趨勢是吻合的，且高緯度或高海拔山區(qū)溫度變化更為顯著，升溫速率會隨著海拔的升高而增大（即升溫海拔依賴現(xiàn)象elevation-dependent warming，EDW）［38-40］。緯度較高的歐洲阿爾卑斯山區(qū)Segl-Maria站（瑞士東南部瑞意邊境，46°25.9′N、9°45.7′E，海拔1 804 m）和海拔較高的我國青藏高原波密站（藏東南，29°51.5′N、95°46.2′E，海拔2 736 m，）氣象監(jiān)測數(shù)據顯示氣候（尤其氣溫）呈現(xiàn)顯著變化（圖1）。其中，Segl-Maria站和波密站氣溫均呈上升趨勢［圖1（a）］，Segl-Maria 站監(jiān)測系列較長，1980 年以前升溫較緩，1980 年以來升溫趨勢顯著；波密站監(jiān)測系列較短，自20 世紀60年代開始監(jiān)測以來氣溫顯著上升。相對而言，降水的區(qū)域分異明顯，且波動十分強烈［圖1（b）］，Segl-Maria 站年降水量僅有微弱上升趨勢，波密站年降水量上升趨勢較為顯著。

圖1 歐洲阿爾卑斯山區(qū)Segl-Maria站和我國藏東南波密站年平均氣溫（a）和年降水量（b）變化Fig.1 Variations of annual mean air temperature and annual precipitation based on monitoring at Segl-Maria Station（European Alps）and Bomi Station（Southeast Tibet）

雖然高山區(qū)泥石流的發(fā)生不僅受氣候因素（降水、氣溫）影響，還受地質地貌（巖性、坡度、局部地形）和物源（儲量、級配構成）等其他因素制約，但在其他因素相對不變的條件下，氣候變化引起的升溫和降雨變化（強降雨事件增多）無疑會促進高山區(qū)泥石流的發(fā)生。圖2為基于歷史事件記錄的歐洲阿爾卑斯山區(qū)和我國藏東南地區(qū)典型流域（區(qū)域）泥石流發(fā)生頻率變化，其中，圖2（a，b）為單一流域，圖2（c，d）為區(qū)域范圍?？傮w上看，這兩個區(qū)域泥石流發(fā)生頻率呈上升趨勢，其中瑞士Ritigraben 流域［圖2（a）］已有的歷史記錄中超過一半的泥石流事件發(fā)生在近30年；瑞士Dorfbach流域［圖2（b）］近百年來泥石流發(fā)生頻率自1990年以來明顯上升；法國阿爾卑斯山區(qū)［圖2（c）］1970 年以來和我國藏東南地區(qū)［圖2（d）］近1950 年以來泥石流發(fā)生頻率總體也呈波動上升趨勢，這與兩個地區(qū)的氣候變化尤其氣溫變化總體趨勢相一致。圖2（d）中藏東南地區(qū)泥石流發(fā)生頻率統(tǒng)計未包括古鄉(xiāng)溝泥石流事件，因為古鄉(xiāng)溝泥石流暴發(fā)與1950 年察隅8.0 級地震有密切聯(lián)系［41］。隨著震后溝內松散物源逐漸減少，其泥石流發(fā)生頻率和強度相應呈遞減趨勢［42］。為在宏觀上準確掌握氣候變化影響下區(qū)域泥石流發(fā)生頻率變化，應盡可能排除地震等非氣候激發(fā)因素影響，考慮物源為非限制因素（即物源充足）的泥石流事件，故古鄉(xiāng)溝泥石流事件未予考慮。另外，需要指出的是，對于法國阿爾卑斯山區(qū)和藏東南地區(qū)而言，直接比較兩者泥石流發(fā)生頻率大小意義不大，因為不同資料對泥石流事件的統(tǒng)計遴選標準有所差異，法國阿爾卑斯山區(qū)的數(shù)據包含了各種規(guī)模的泥石流事件，而藏東南地區(qū)的泥石流事件根據已有文獻資料匯總，更側重中等規(guī)模以上泥石流事件，對小規(guī)模事件可能覆蓋不足。即便如此，不妨礙從宏觀上考察兩個區(qū)域泥石流暴發(fā)頻率的總體趨勢。

圖2 近百年來歐洲阿爾卑斯山區(qū)和我國藏東南地區(qū)典型流域（區(qū)域）高山區(qū)泥石流發(fā)生頻率變化Fig.2 Frequency variations of debris flow occurrence in typical high mountain basins（regions）in European Alps and Southeast Tibet in the past century

分析歐洲阿爾卑斯山區(qū)和我國藏東南地區(qū)泥石流發(fā)生頻率與氣候變化的統(tǒng)計結果，可以看到高山區(qū)泥石流暴發(fā)與氣象條件存在緊密關系，水熱條件變化對高山區(qū)泥石流形成具有重要影響。許多國內外學者嘗試從降雨和氣溫兩個氣象因子入手，挖掘泥石流暴發(fā)和兩個因素的響應關系和統(tǒng)計規(guī)律［35-37，67-70］。已有的研究中，降雨因子主要包括前期雨量、臨陣降雨強度，而氣溫因子包括前期積溫、前期均溫、暴發(fā)前日最高氣溫等（表1）。例如，基于美國落基山脈高山區(qū)27 場冰雪消融形成滑坡（泥石流）事件，分析滑坡觸發(fā)時間與氣溫（采用日最高氣溫6日滑動均值）的關系，通過統(tǒng)計分析獲得冰雪融化形成滑坡的閾值氣溫［68］；通過分析藏東南帕隆藏布流域典型冰川泥石流溝10 場大型泥石流過程暴發(fā)時間和氣象條件，建立冰川（冰川融雪）泥石流起動的經驗判定模型［69］。也有學者嘗試將氣象因子（日最高溫度、日降雨量）與堆積體穩(wěn)定性指標（泥水位、地表位移、含水率）相結合，建立冰川降雨型泥石流預警模型［71］。

表1 部分高山泥石流暴發(fā)事件與氣象因子關系分析實例Table 1 Typical case studies of correlations between debris flow events and climate factors in high mountains

2 高山區(qū)泥石流成因和機制

和其他環(huán)境暴發(fā)的泥石流過程類似，在起動成因上高山區(qū)泥石流可分為土力類（由冰崩、雪崩、巖崩、冰磧物滑坡等觸發(fā)轉化形成）和水力類（由降雨和融雪徑流通過底蝕和側蝕過程形成）兩大類（圖3），但在高山區(qū)，冰川、凍土、巖體、冰磧物坡體的強度和穩(wěn)定性不但受降水影響，而且受溫度制約，因為溫度不僅影響冰體（巖體）穩(wěn)定性，還影響冰雪融化和凍土消融，進而影響徑流和地下水過程［72-73］，所以高山區(qū)泥石流的成因和過程十分復雜，往往是土力類和水力類過程相互促進、互為依托的結果，其研究涉及冰凍圈科學、土力學、巖石力學、山坡水文學、泥沙運動力學等多個學科。

圖3 高山區(qū)泥石流主要起動類型和研究重點Fig.3 Schematic diagram of the two macro-groups of debris flows in high mountains and related research highlights

2.1 典型泥石流事件成因

高山區(qū)泥石流可能由不同的環(huán)境條件觸發(fā)，但大部分泥石流事件發(fā)生在夏季（或初秋），說明水熱（降雨、溫度）條件對泥石流激發(fā)形成有重要影響。表2列出近年來國內外研究報道的典型高山區(qū)泥石流事件，其中國內的研究主要集中于藏東南地區(qū)，尤其以近年十分活躍的天摩溝為典型，國外則涵蓋印度、北美、歐洲和南美等地區(qū)。

總體上看，由強降雨、冰川融雪（或冰川融雪與降雨耦合）形成的水力類泥石流過程和由冰崩、雪崩、滑坡等土力類過程觸發(fā)轉化形成的泥石流過程都有發(fā)生，但大型或特大型冰川泥石流多由土力類過程觸發(fā)，如俄羅斯高加索山區(qū)北奧賽梯Kolka-Karmadon 冰川泥石流［74］，加拿大Meager 山區(qū)泥石流［75］，以 及 秘魯安第斯山脈Rio Santa 峽谷泥石流［76-77］等，其規(guī)模都在千萬甚至億立方米量級。

土力類過程和水力類過程的耦合對泥石流的觸發(fā)和規(guī)模放大有重要影響。我國藏東南的天摩溝在過去十多年里十分活躍，發(fā)生了數(shù)次泥石流（表2），按照規(guī)模進行分類［78］，均為大規(guī)模泥石流。研究認為，天摩溝第一次泥石流（2007-09-04）是由升溫和降水引起的冰崩巖崩所觸發(fā)，其他三次泥石流（2010-07-25，2010-09-03，2018-07-11）主要是由夏季降水和冰川融雪徑流激發(fā)，這四場泥石流過程在演進過程中由于溝谷冰磧物沿程侵蝕或堵潰效應（滑坡或雪崩短暫形成冰磧堰塞湖后潰決）而規(guī)模不斷放大［24，28，37，79-82］。印度喜馬拉雅山區(qū)Gangotri冰川的泥石流事件也是由多種因素耦合觸發(fā)形成，包括冰川退縮、冰磧物消融退化形成松散堆積物、持續(xù)降雨以及冰磧湖潰決等［29，83］。除強降雨外，因升溫而引起的冰雪快速消融形成徑流也是高山區(qū)激發(fā)形成泥石流的一種重要機制［22］，因為冰川、凍土退縮形成的松散堆積物在徑流沖蝕作用下極易失穩(wěn)形成泥石流。

瑞士阿爾卑斯山區(qū)Bondasca 山谷泥石流事件顯示物源條件及其變化對泥石流發(fā)育形成有重要影響［3］。Bondasca 山谷2012—2017 年共發(fā)生19 起泥石流事件，這些事件均與兩次巖崩密切相關。第一次巖崩發(fā)生在2011 年冬季（12 月27 日），產生1.5×106～1.7×106m3的松散堆積物；第二次發(fā)生在2017 年夏季（8 月23 日），產生（3±0.02）×106m3松散堆積物。2011 年冬季發(fā)生的第一次巖崩并沒有立即轉化為泥石流，不過，2012 年夏季的一般強度降雨引發(fā)了4 場泥石流。但隨后的2013—2015 年，類似強度的降雨過程并未進一步觸發(fā)泥石流事件（說明2012 年的4 場泥石流已基本將2011 年崩塌產生的松散物源輸送至下游）。2017 年夏季的第二次巖崩，巖體崩落過程中撞擊峽谷冰川，幾乎立即轉化為泥石流，在9.5 小時內發(fā)生了10 次泥石流，在之后2 天內又發(fā)生了2 次。重要的是，2017 年巖崩引起的泥石流幾乎完全沒有降雨過程參與。

2.2 冰川及冰磧物坡體/巖體失穩(wěn)機制

大型及特大型冰川泥石流暴發(fā)的緣起多是土力學過程，如冰緣或冰磧物坡體（巖體）的突然崩落、滑 坡 等［3，21，28，72-73，80］。這 一 方 面 提 供 了 大 量 的“準”泥石流物源，另外一方面，由于高山區(qū)溝道巨大的高程落差，在崩塌（滑坡）體巨大能量沖擊下，下游陡峭坡體（溝谷）上的松散冰磧物或冰湖易于失穩(wěn)。由于這種崩塌（滑坡）過程多發(fā)生在氣溫較高的夏季，冰磧物堆積體一般含水率較高，因而在失穩(wěn)后更易轉化為泥石流［92］，且其泥石流過程通常具有比其他環(huán)境泥石流高得多的流速（如藏東南天摩溝2007年9月4日暴發(fā)的冰川泥石流速度估算達到40 m·s-1甚至更高）和破壞力［6，76-77，80］。

表2 近年國內外報道的典型高山區(qū)泥石流事件及成因/機制Table 2 Typical debris flows and their causes in high mountains reported in recent years

近年大量研究嘗試通過控制實驗或野外原型觀測，力圖揭示冰川、巖石及冰磧土的失穩(wěn)機制和過程，即分析冰川（巖石、冰磧物）剪切應力與溫度之間的關系、斷裂臨界及預測模型。與一般（巖）土體失穩(wěn)通常與含水率（孔隙水壓力）變化緊密相關有所不同，高海拔冰川凍土區(qū)，冰體（巖體）的脆斷還與溫度變化關系十分密切［93］。冰填充的巖石節(jié)理在冰川和基巖凍土區(qū)十分常見，這種節(jié)理由于冰分凝作用而不斷擴大［12，18，94］。冰填充的基巖節(jié)理的剛度和強度是正應力和溫度的函數(shù)，如果山坡（巖石或冰磧物）的穩(wěn)定由冰填充的節(jié)理維持，其穩(wěn)定系數(shù)（穩(wěn)定性）將隨著溫度升高而降低［95-96］。

研究發(fā)現(xiàn)，冰凍狀態(tài)向消融狀態(tài)的往復過渡可能對巖體（坡體）穩(wěn)定有十分重要的影響［18］。因而，近年的工作多針對冰點（0 ℃）附近的溫度開展巖體剪切破壞研究［97-99］。目前已有實驗對冰填充的巖石節(jié)理破壞過程進行精細觀測，這些實驗或基于高山巖石的原型監(jiān)測［100］，或使用冰川凍土區(qū)采集的原狀冰芯、巖芯及人工樣品（如混凝土等）在室內開展［95，97-99，101-103］，且通常采用聲發(fā)射檢測技術捕捉冰川或巖石脆斷時的臨界狀態(tài)。

對冰和巖石-冰交接面的脆裂剪切破壞實驗顯示，升溫和卸載（即去除巖石或沉積物上覆覆蓋層）都會導致冰填充巖石節(jié)理的剪切阻力顯著降低［97-98，104］?；谀?庫倫破壞準則，分析冰填充巖石節(jié)理破壞臨界剪切力。

式中：τ為冰填充巖石節(jié)理破壞時的剪切應力，是正應力σ、內聚力c和摩擦角φ的函數(shù)。

文獻［99］通過控制實驗［溫度區(qū)間為（-8±0.1）～（-0.5±0.1）℃］，擬合得到冰凍巖石節(jié)理破壞的臨界剪切力與正應力和溫度的函數(shù)關系［式（2）、（3）］。盡管擬合關系式中的系數(shù)在不同環(huán)境條件下應存在差異，但至少反映內聚力c和摩擦系數(shù)μ（即tanφ）隨溫度T上升（由冰凍狀態(tài)逐漸上升至冰點附近）而減小的一般特征。

除冰川退化外，高山區(qū)多年凍土的消融對坡體穩(wěn)定也有重要影響。相對而言，基巖-坡體穩(wěn)定性和冰川退化之間的關系已開展較多的研究，而多年凍土及其動態(tài)變化對坡體穩(wěn)定性的影響近期才得到關注［12，105］。陡峭巖石上多年凍土退化受巖石裂隙水滲濾的強烈影響［18］。當富含冰的泥沙堆積物中的冰融化時會發(fā)生“消融固結”作用，導致孔隙水壓力上升［105］，原來在冰凍條件下穩(wěn)定的泥沙坡積體（冰磧體）趨于失穩(wěn)。因而，升溫引起的多年凍土消融退化很可能引起高山區(qū)山坡失穩(wěn)規(guī)模增大、頻率上升［106］。

不過，盡管已有大量證據支撐巖體、凍土升溫而失穩(wěn)破壞的事實［17，107-109］，但將單個失穩(wěn)破壞事件確定無疑地歸結為由升溫引發(fā)還很困難。需要指出的是，高山區(qū)多年凍土具有復雜的空間分布特征，受坡度、坡向、海拔、陽光輻射和降雪等時空分布的影響［105，110］，坡體失穩(wěn)及物質運動輸移與溫度變化有關，但兩者之間關系的強度區(qū)間和頻率范圍十分 寬 廣［12，92，111］?；?于 瑞 士 阿 爾 卑 斯 山 區(qū)、勃 朗 峰（Mount Blanc massif）和新西蘭南阿爾卑斯山脈53次新近大型巖石崩塌和事件發(fā)生季節(jié)氣象條件（日最高氣溫）的分析顯示，除瑞士阿爾卑斯山區(qū)24 場大型崩塌中的14場發(fā)生前有一天或多天高溫記錄，勃朗峰（僅2年監(jiān)測數(shù)據）和新西蘭南阿爾卑斯山的崩塌事件和氣溫監(jiān)測數(shù)據并沒有顯著性統(tǒng)計結果支撐高溫天氣對應更高的崩塌發(fā)生率［112-113］。這說明升溫導致的冰川凍土消融與泥沙堆積物坡體/巖石破壞失穩(wěn)之間可能存在時間延遲，而這種延遲具有很大的不確定性。

2.3 冰磧土泥石流起動特征

近年國內對高山區(qū)泥石流的研究關注冰磧土的起動特征和影響因素。我國冰磧土廣泛分布在青藏高原及周邊區(qū)域，與分布于干旱河谷的寬級配礫石土體特征不同，冰磧土雖也屬寬級配礫石土體，但粗大顆粒多、黏粒含量少，因此摩擦阻力大、黏滯阻力?。?0］。現(xiàn)代冰磧土一般堆積于冰緣區(qū)末端或冰蝕溝谷，而老冰磧土則一般為歷史冰期遺存的冰磧物歷經化學、物理和生物作用所形成。

國內冰磧土起動的研究目前涉及三個典型區(qū)域：基于川西貢嘎山地區(qū)開展冰磧物物源補給特征和形成機制的研究［27，114-115］，分析得到物源粒徑的弱雙峰型分布特征，將物源匯集過程分為溝道匯集階段、土體粗化階段和循環(huán)凍融階段三個階段，提出這類泥石流形成過程的四階段模式；以中巴公路喀喇昆侖山區(qū)原狀冰磧土開展起動實驗，分析土體不同初始含水率條件下融水沖刷冰磧物形成泥石流的起動過程［116］，實驗發(fā)現(xiàn)泥石流起動類型為坍塌推移型，探討含水率與滲流、沖刷作用及孔隙水壓力的關系；針對藏東南帕隆藏布流域嘎隆拉冰川末端三種冰磧土體（經過風化改造的老冰磧土體、現(xiàn)代冰磧土體和混合冰磧土體）開展降水與冰雪融水作用下泥石流起動實驗，比較不同顆粒組成、不同實驗條件下的土體起動泥石流特征［30］。實驗發(fā)現(xiàn)，隨黏粒含量不同，冰磧土起動特征存在明顯差異。當黏粒含量較高時（＞3%），土體發(fā)生鏟蝕+面蝕型泥石流起動；當黏粒含量中低時（不高于3%），大部分坡面泥石流起動以掏蝕+坍塌型為主；當黏粒含量過低時（＜0.32%），冰磧土體不易起動泥石流［30］。通過對帕隆藏布流域嘎隆寺溝不同細粒含量的冰磧土開展比重和相對密度測試以及實驗，探討細粒含量對冰磧土抗剪強度的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，細粒含量引起孔隙結構的差異，一定范圍內，細粒含量升高導致抗剪強度降低［117］。

3 未來研究應關注的問題

3.1 宏觀尺度氣候變化與高時空分辨率氣象數(shù)據

高山區(qū)泥石流暴發(fā)與氣候條件（尤其是氣溫和降水）密切相關。現(xiàn)有研究多以特定泥石流事件或特定泥石流溝為對象分析高山區(qū)泥石流起動與氣象條件的關系，未來應關注小流域與區(qū)域乃至全球尺度的結合。研究氣候變化（如升溫或高強度降水事件概率上升等）條件下高山區(qū)泥石流起動，針對IPCC 氣候報告（2020—2050 年），定量評估典型高山區(qū)（如藏東南地區(qū)）氣候的可能變化趨勢，建立完善多尺度降水-氣溫經驗模型，藉此在區(qū)域甚至全球尺度上分析氣候變化影響下的高山區(qū)泥石流未來特征。

基于統(tǒng)計方法建立的泥石流預判方法的可靠性和準確性一方面依賴于數(shù)據樣本的大小，如泥石流事件樣本數(shù)，考慮的降雨、氣溫、物源等因子數(shù)；另一方面則受制于氣象數(shù)據的精度和時空分辨率。高山區(qū)地形變化強烈，其氣象因子（尤其降雨）空間分異十分顯著。由于高山區(qū)氣象站點分布稀疏，目前在分析特定流域泥石流暴發(fā)成因時，多采用泥石流暴發(fā)流域附近站點的氣象數(shù)據進行替代，客觀上存在誤差和不確定性。因而，應對高山區(qū)典型泥石流流域氣象監(jiān)測站點進行加密布置，以獲取高時空分辨率的氣象數(shù)據?；赗CP 氣候變化情景模式進行空間降尺度分析，結合遙感降水柵挌數(shù)據多邊型區(qū)域糾偏等方法獲取研究區(qū)時間序列氣象數(shù)據資料［69］是較好的嘗試，但仍需加強與地面站點實測數(shù)據比對和驗證。

3.2 高山區(qū)冰川凍土（冰磧物坡體/巖體）失穩(wěn)及物源變化的不確定性

高山區(qū)冰崩、雪崩、山體滑坡等土力類過程觸發(fā)的泥石流往往規(guī)模巨大，災害嚴重，但崩塌和滑坡失穩(wěn)的時間和位置仍難以觀測和預測。冰體（冰磧物坡、巖石）斷裂、崩塌和滑坡失穩(wěn)等存在時間尺度上差異巨大的延遲作用，其范圍可能跨越天—年—百年，甚至更長時間尺度，具有強烈的不確定性（圖4），這也是預測預判冰體（巖石、冰磧物）破壞失穩(wěn)的巨大難點［102］。未來的研究應明晰影響高山區(qū)冰體（巖體和冰磧物）穩(wěn)定的本底條件（地質巖性等）和激發(fā)因子（氣溫、冰分凝作用等），探求巖體和冰磧物坡體失穩(wěn)破壞的核心控制因子和臨界條件。

圖4 高山區(qū)坡體失穩(wěn)在時間和斷裂深度上的分布區(qū)間［12］Fig.4 Time and depth scales involved in slope stabilities in high mountains［12］

冰川凍土和冰磧物坡的穩(wěn)定受氣候變化的顯著影響，應關注由于氣候變化（尤其氣溫上升）等引起高山區(qū)冰川或多年凍土區(qū)0 ℃等溫線的上移變化，因為0 ℃等溫線的上移意味著原本常年被冰雪覆蓋或處于冰凍狀態(tài)的巖石或冰磧坡積物將消融出露，轉化為潛在的泥石流物源。根據未來氣候變化的可能情景，估算典型高山區(qū)0 ℃等溫線上移的可能范圍，開展系統(tǒng)的野外調查，并借助遙感和GIS技術，估算潛在可“動”物源量級、分布和屬性（級配構成、巖性），特別注意大規(guī)模崩塌滑坡事件造成的“準”泥石流物源量的急劇增加對潛在泥石流暴發(fā)的影響。

3.3 高山區(qū)泥石流發(fā)育的動力學機制

目前對高山區(qū)泥石流的起動機制尚需進一步回答兩個基本問題：（1）對于由冰川（冰磧物坡/巖體）滑坡、崩塌等土力類過程觸發(fā)形成的泥石流，揭示含冰/雪土體的液化機制和重點因子（如孔隙壓力）的動態(tài)變化規(guī)律，在此基礎上明晰滑坡/崩塌體轉化為泥石流需要的地形地貌和環(huán)境條件（如坡體坡度及長度、溫度、土體含水量、物源特征等）；（2）對于降雨、冰雪融水等水力類過程引發(fā)的泥石流，需闡明水動力條件下土體顆粒起動的動力學機制。

物理模型實驗和野外原型觀測是泥石流起動研究的兩個重要手段。物理模型實驗在研究泥石流起動的動力學機制方面不可或缺［6］，但受模型比尺、實驗泥沙顆粒粒徑、高山區(qū)冰沙混合物制作、可控溫度條件等客觀因素制約，小規(guī)模模型實驗難以真實反映高山區(qū)野外“自然”泥石流起動和動力過程［118］。隨著傳感器、信號存儲和傳輸?shù)燃夹g手段的進步，野外原型觀測在泥石流研究日益受到重視［119-124］。不過，針對高山區(qū)復雜環(huán)境泥石流的原型觀測和監(jiān)測分析仍十分薄弱。有必要以典型泥石流溝為對象，集成地聲、次聲、視頻、壓（應）力監(jiān)測等技術手段，構建涵蓋氣象（降雨、氣溫）、地震波、次聲波、流速、泥位、孔隙壓力、正壓力等指標的監(jiān)測體系，開展沿程多斷面高時空分辨率氣象和泥石流起動的原型觀測，系統(tǒng)收集泥石流起動過程中重點因子動態(tài)變化的數(shù)據資料。這將有助于檢驗和修正現(xiàn)有高山區(qū)泥石流起動模型，深入認識泥石流起動和演進過程的關鍵影響因子和作用機制。

4 結語

在全球氣候變化的大背景下，高山區(qū)尤其高山冰川或積雪的邊緣地帶是泥石流災害的多發(fā)區(qū)。近三十年來國內外圍繞高山區(qū)泥石流暴發(fā)與氣象條件的關系、典型高山區(qū)泥石流暴發(fā)成因、冰川凍土/冰磧物坡體消融失穩(wěn)機制、冰磧土起動特征等已開展廣泛研究，但由于研究對象十分復雜，實驗和野外觀測難度巨大，高山區(qū)泥石流發(fā)育機制和起動條件的研究依然任重道遠。未來應繼續(xù)加強高山區(qū)宏觀尺度氣候變化與高時空分辨率氣象數(shù)據監(jiān)測分析，開展物源動態(tài)變化和補給速率調查研判，明晰高山區(qū)冰川/冰磧物坡體失穩(wěn)機制和臨界條件，揭示高山區(qū)泥石流發(fā)育的動力學機制，推動高山區(qū)泥石流研究進一步深入。